基于力反饋的手功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

近年來，我國因腦卒中造成的偏癱患者數(shù)量逐漸增多,醫(yī)學(xué)原理和臨床醫(yī)學(xué)證明，科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練對(duì)于偏癱患者受損傷肢體運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)有重要作用[1]?？祻?fù)訓(xùn)練系統(tǒng)是一種集合了康復(fù)醫(yī)學(xué)、機(jī)器人學(xué)、信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科知識(shí)的康復(fù)醫(yī)療設(shè)備，以現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)理論為基礎(chǔ)，借助機(jī)器人輔助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練來替代康復(fù)醫(yī)師對(duì)患者一對(duì)一的訓(xùn)練，從而提高治療效率和降低成本[2]。機(jī)器人具有許多人類所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如，長期、穩(wěn)定地重復(fù)訓(xùn)練，精確、客觀地觀測訓(xùn)練與運(yùn)動(dòng)參數(shù)，提供實(shí)時(shí)的反饋、遠(yuǎn)程訓(xùn)練等[3]?？祻?fù)機(jī)器人的應(yīng)用有助于醫(yī)生更有針對(duì)性地依據(jù)患者的康復(fù)情況制定康復(fù)訓(xùn)練方案，加快患者的康復(fù)進(jìn)程[4]。

目前，針對(duì)上肢、下肢的康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人已經(jīng)開始在臨床廣泛使用，且效果顯著,但針對(duì)手指的康復(fù)機(jī)器裝置卻很少，其主要原因是人體手指的運(yùn)動(dòng)模式較為復(fù)雜[5]，自由度高且手指易受損傷。針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于磁流變液的力反饋手功能康復(fù)訓(xùn)練裝置，滿足手指康復(fù)訓(xùn)練的要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性是最基本的原則[6]。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，具有可行性和可靠性，能有效幫助偏癱患者實(shí)現(xiàn)受損手部功能的恢復(fù)。

1 手指康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)成

手指康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的整體組成如圖1所示，上位機(jī)軟件通過USB通信向下位機(jī)ARM芯片發(fā)送特定格式的指令進(jìn)而控制機(jī)構(gòu)帶動(dòng)患者手指做康復(fù)訓(xùn)練，同時(shí)，上位機(jī)顯示并存儲(chǔ)患者手指運(yùn)動(dòng)位置、壓力等信息作為評(píng)估患者康復(fù)階段的依據(jù)。

圖1 手指康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)成

在使用過程中，康復(fù)訓(xùn)練裝置同時(shí)具有主、被動(dòng)訓(xùn)練模式，被動(dòng)訓(xùn)練由直流電機(jī)帶動(dòng)手指進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，患者手指主動(dòng)施力，由磁流變液阻尼器提供相應(yīng)的力反饋。在訓(xùn)練過程中，通過編碼器、力矩傳感器等采集患者手指運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)范圍、力等信息，幫助醫(yī)生評(píng)估患者手指的康復(fù)階段，同時(shí)為了避免訓(xùn)練裝置對(duì)手指造成二次損傷，采用了有源/無源混合的力反饋交互驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定、精準(zhǔn)地控制。

下面主要對(duì)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)和控制方法做介紹。

2 康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)人體手指的生理結(jié)構(gòu)特征，如圖2所示，人體手指的各種動(dòng)作主要是依靠肌肉帶動(dòng)指骨，進(jìn)而改變關(guān)節(jié)之間的位置實(shí)現(xiàn)的，其中，拇指的動(dòng)作主要與腕掌關(guān)節(jié)(CM)，掌指關(guān)節(jié)(MP)，指間關(guān)節(jié)(IP)有關(guān)，除拇指之外的其余四指結(jié)構(gòu)相似，主要由掌指關(guān)節(jié)(MP)、近端指關(guān)節(jié)(PIP)、遠(yuǎn)端指關(guān)節(jié)(PIP)決定其運(yùn)動(dòng)[7]，由此，設(shè)計(jì)如圖3所示的手功能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)主要由手指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)傳感裝置兩部分組成，手指訓(xùn)練結(jié)構(gòu)分為拇指訓(xùn)練結(jié)構(gòu)和食指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)傳感裝置包括光電編碼器，直流電機(jī)、磁流變液阻尼器和力矩傳感器。如圖3，拇指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)由兩組驅(qū)動(dòng)傳感裝置控制，分別幫助拇指完成彎曲/伸直運(yùn)動(dòng)和外展/內(nèi)收的運(yùn)動(dòng)；食指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)由一組驅(qū)動(dòng)傳感裝置控制，實(shí)現(xiàn)食指的彎曲/伸直運(yùn)動(dòng)。下面分別對(duì)食指、拇指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)進(jìn)行介紹。

圖2 人體手指生理結(jié)構(gòu)

圖3 手指康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)機(jī)構(gòu)

2.1 食指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)

根據(jù)食指的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)如圖4(a)所示的機(jī)構(gòu)輔助食指實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的彎曲/伸直運(yùn)動(dòng)，整體采用連桿機(jī)構(gòu)，由4個(gè)連桿、2個(gè)指套和1個(gè)固定座組成，其中驅(qū)動(dòng)桿連接驅(qū)動(dòng)軸，帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。在機(jī)構(gòu)中，由于后端指套在前后連接桿上運(yùn)動(dòng)的行程很短，因此在前后連接桿上設(shè)置了光滑導(dǎo)槽，后端指套在導(dǎo)槽中作短距離滑動(dòng)，在前、后指套分別安裝尼龍貼用于固定手指。當(dāng)患者使用時(shí)，機(jī)構(gòu)在一組驅(qū)動(dòng)傳感裝置的控制下，帶動(dòng)食指完成掌指關(guān)節(jié)(MP)和近端指間關(guān)節(jié)(PIP)的彎曲/伸直運(yùn)動(dòng)。如圖4(b)為食指使用機(jī)構(gòu)時(shí)的示意圖，此外，由于相似的生理結(jié)構(gòu)和動(dòng)作，此機(jī)構(gòu)同樣適用于中指，無名指的康復(fù)訓(xùn)練。

2.2 拇指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)

人手的拇指和其他4個(gè)手指在生理結(jié)構(gòu)上有所不同，在于拇指只有一個(gè)指間關(guān)節(jié)(IP)，但是腕掌關(guān)節(jié)(CM)的運(yùn)動(dòng)更加靈活，可以配合其他手指完成拿、捏等動(dòng)作，因此拇指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)不同于其他手指?？紤]到拇指指間關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍小，本設(shè)計(jì)中拇指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)只提供掌指關(guān)節(jié)(MP)的彎曲/伸直運(yùn)動(dòng)和腕掌關(guān)節(jié)的外展/內(nèi)收運(yùn)動(dòng)，其中腕掌關(guān)節(jié)的外展/內(nèi)收的動(dòng)作在日常生活中的使用尤為頻繁，可以想象此動(dòng)作軌跡類似與頂點(diǎn)位于手腕處的圓錐面，因此設(shè)計(jì)如圖5(a)所示的拇指運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用兩組驅(qū)動(dòng)傳感裝置分別實(shí)現(xiàn)兩種運(yùn)動(dòng)。其中，驅(qū)動(dòng)T1帶動(dòng)拇指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)在兩塊擋板之間實(shí)現(xiàn)彎曲/伸直運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)T2與T1相配合帶動(dòng)拇指頂部做圓錐運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)外展/內(nèi)收的動(dòng)作?？紤]到拇指關(guān)節(jié)不能旋轉(zhuǎn)，因此在做外展/內(nèi)收運(yùn)動(dòng)時(shí)需要一個(gè)輔助的萬向節(jié)機(jī)構(gòu)，如圖5所示。

圖4 食指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)

圖5 拇指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制電路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)下位機(jī)控制電路采用模塊化設(shè)計(jì)，包括主控制器模塊、通信模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊和電源管理模塊，如圖6所示。其中，主控制器模塊使用CORTEX-M3內(nèi)核的LPC1700系列ARM芯片，該芯片具有豐富的外設(shè)接口，滿足康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的需要。

圖6 下位機(jī)控制電路

3.2 驅(qū)動(dòng)傳感裝置選型及設(shè)計(jì)

3.2.1 力矩傳感器

為了使下位機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集到患者使用康復(fù)訓(xùn)練裝置時(shí)手指受力信息，本系統(tǒng)采用SY-8414-D型電阻應(yīng)變式靜態(tài)扭矩傳感器測量輸出軸力矩，其參數(shù)如表1所示，傳感器信號(hào)通過SY-BSQ-3型的變送器，轉(zhuǎn)換為0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓通過A/D轉(zhuǎn)換輸入到ARM芯片進(jìn)行處理。由采集到的力矩信息和機(jī)構(gòu)尺寸信息，計(jì)算得到患者使用過程中的手指受力。

表1 力矩傳感器參數(shù)

3.2.2 光電編碼器

手指康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)使用型號(hào)為E40S6的增量式光電編碼器，根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向?qū)幋a器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，檢測患者使用過程中手指的位置和手指運(yùn)動(dòng)的速度等信息。

3.2.3 磁流變液阻尼器

本系統(tǒng)使用圓盤式磁流變液阻尼器作為力反饋執(zhí)行裝置的無源執(zhí)行器，在患者主動(dòng)施加力時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的阻力。其結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖如圖7所示。阻尼器主要由轉(zhuǎn)子(旋轉(zhuǎn)盤)、定子(固定盤)、絕磁環(huán)、線圈、軸、密封圈和外殼等部分組成。其中，線圈緊繞在絕磁環(huán)上，殼體內(nèi)充滿了磁流變液，在軸孔處和殼體的密封處各設(shè)有密封圈以防止磁流變液漏出，殼體、線圈、轉(zhuǎn)子以及各部分間隙內(nèi)的磁流變液共同組成了一個(gè)磁路[8]。殼體中充滿的磁流變液由易磁化微粒、載液和穩(wěn)定劑組成，線圈不通電時(shí)，殼體內(nèi)沒有磁場，磁流變液呈現(xiàn)牛頓流體狀態(tài)，當(dāng)線圈通電時(shí)，隨著電流的增大，殼體內(nèi)磁場增強(qiáng)，液體的粘度也會(huì)隨之增大并最終失去流動(dòng)性變?yōu)楣虘B(tài)，在此過程中阻尼器的輸出力矩也會(huì)逐漸變大，因此可以通過控制流入磁流變液阻尼器中線圈的電流大小調(diào)節(jié)其輸出力矩，從而在患者使用時(shí)，能夠產(chǎn)生相應(yīng)的力反饋。

圖7 磁流變液阻尼器裝配圖與實(shí)物圖

3.2.4 直流電機(jī)

在進(jìn)行手指訓(xùn)練時(shí)，需要主動(dòng)型驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器來牽引手指機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，主要考慮以下幾個(gè)因素：① 能夠長時(shí)間工作在低速或者是堵轉(zhuǎn)的狀態(tài)下；② 能夠提供滿足條件的轉(zhuǎn)矩，且易于控制、穩(wěn)定性好；③ 安全可靠且使用壽命長。

根據(jù)以上要求，本設(shè)計(jì)選用的是LYX系列55LYX04稀土永磁直流力矩電機(jī)，電機(jī)相關(guān)參數(shù)如表2所示，它可以長時(shí)間工作在低轉(zhuǎn)速甚至是堵轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，不需要經(jīng)過齒輪減速而直接帶動(dòng)負(fù)載，并且能提供足夠大的扭矩。

表2 直流電機(jī)參數(shù)

3.3 康復(fù)訓(xùn)練模式

本康復(fù)訓(xùn)練裝置采用有源/無源混合的力反饋交互驅(qū)動(dòng)裝置，將電機(jī)與磁流變液阻尼器相結(jié)合，康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)主要有兩種訓(xùn)練模式，被動(dòng)訓(xùn)練模式和主動(dòng)訓(xùn)練模式。在被動(dòng)模式下，直流電機(jī)作為有源執(zhí)行器，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)手指進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于電機(jī)的超調(diào)特性，在接近目標(biāo)位置時(shí)，使用磁流變液阻尼器輔助其停止，使患者在使用過程中手指的運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定、安全[9]。同時(shí)利用光電編碼器和力矩傳感器實(shí)時(shí)測量機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度和患者手指受力情況，防止患者手指由于運(yùn)動(dòng)速度過快造成損傷。被動(dòng)訓(xùn)練設(shè)置控制流程圖如圖8所示。

圖8 被動(dòng)訓(xùn)練控制流程圖

在主動(dòng)訓(xùn)練中，上位機(jī)通過與下位機(jī)ARM通信，控制流入磁流變液阻尼器電流大小，完成對(duì)阻力的設(shè)置?；颊呤种傅挚棺枇υ谝欢ǚ秶鷥?nèi)做相應(yīng)的訓(xùn)練動(dòng)作，為了提高患者訓(xùn)練積極性，在主動(dòng)模式下，設(shè)計(jì)不同的小游戲用于提高患者的使用體驗(yàn)。相應(yīng)的主動(dòng)訓(xùn)練模式流程圖如圖9所示。兩種訓(xùn)練模式相互結(jié)合，有助于患者更加科學(xué)、有效地完成康復(fù)療程。

4 實(shí)驗(yàn)

為了測試手功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的有效性，在完成系統(tǒng)調(diào)試后，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過光電編碼器記錄在被動(dòng)訓(xùn)練一個(gè)周期內(nèi)手指運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，并用力矩傳感器記錄主動(dòng)模式下手指往返一周期的受力信息，以食指為例，其曲線圖分別如圖10(a)、圖10(b)所示。從圖中可以看出，在進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，手指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度曲線平滑，患者手指受力。由此可見，加入了磁流變液阻尼器的主被動(dòng)混合力反饋交互驅(qū)動(dòng)裝置，不僅使得運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，更大大提高了系統(tǒng)的安全性，在主動(dòng)訓(xùn)練中，通過對(duì)流入磁流變液阻尼器電流的控制，使得患者可以感受到穩(wěn)定的力反饋。

圖9 被動(dòng)訓(xùn)練控制流程圖

圖10 手指運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度

在進(jìn)行連續(xù)被動(dòng)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)食指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度與人手關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行了測量與分析，如圖11所示。從圖中可以看出，食指驅(qū)動(dòng)軸在0～90°范圍轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，掌指關(guān)節(jié)和近端指間關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍可分別達(dá)到0～87°和0～108°。

圖11 被動(dòng)訓(xùn)練食指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度

在進(jìn)行拇指被動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，通過測量驅(qū)動(dòng)軸T1、T2轉(zhuǎn)動(dòng)角度，得到拇指的掌指關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍為0～76°，腕掌關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍為0～83°，滿足了手指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的需要。

在保證系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目以一名偏癱患者為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)的有效性進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。該患者手指不能進(jìn)行主動(dòng)的運(yùn)動(dòng)且手指關(guān)節(jié)呈現(xiàn)僵硬、攣縮等癥狀，按照臨床上康復(fù)訓(xùn)練的強(qiáng)度，本次實(shí)驗(yàn)為期15 d，每天上、下午讓患者使用本系統(tǒng)進(jìn)行45 min的被動(dòng)訓(xùn)練，如圖12所示；記錄患者每天食指、拇指所能承受的最大運(yùn)動(dòng)范圍，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖13所示?？梢娀颊咴谑褂帽鞠到y(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練后，手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍呈現(xiàn)明顯增大趨勢，說明本系統(tǒng)能夠有效地幫助患者恢復(fù)手指運(yùn)動(dòng)功能。

圖12 偏癱患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于力反饋的用于偏癱患者手功能康復(fù)的訓(xùn)練系統(tǒng)。詳細(xì)描述了康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的組成，并對(duì)設(shè)計(jì)的訓(xùn)練機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。為了實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練過程的穩(wěn)定性和安全性，采用了主被動(dòng)混合力反饋交互驅(qū)動(dòng)的控制方法。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的手功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)具有可行性和可靠性。

圖13 偏癱患者手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍